Modeliranje kretanja deformabilnog tela u fluidu i primena u biomedicinskom inženjeringu
Doktorand
Đukić, TijanaMentor
Filipović, NenadČlanovi komisije
Milutinović, VeljkoSlavković, Radovan
Živković, Miroslav
Jovičić, Gordana
Metapodaci
Prikaz svih podataka o disertacijiSažetak
Kardiovaskularni sistem je jedan od najvažnijih sistema u ljudskom organizmu.
Istraživanja strujanja krvi su klinički veoma značajna zbog mogućnosti poboljšane
dijagnostike bolesti, planiranja odgovarajućih preventivnih mera, analize
transporta lekova itd. Ove pojave se teško eksperimentalno ispituju i zbog toga u
ovoj oblasti numeričke simulacije mogu da doprinesu dobijanju mnogo novih i
korisnih informacija.
U okviru ovog rada predstavljen je kompletan numerički model koji uspešno
simulira trodimenzionalno strujanje krvi kroz krvne sudove u ljudskom organizmu.
Ovo je pokazano na nekoliko primera, gde je modelirano strujanje krvi kroz ljudsku
aortu, karotidnu i koronarnu arteriju. Takođe, predstavljen je numerički model koji
simulira kretanje crvenih krvnih zrnaca i sfernih čestica kroz kompleksne
geometrijske domene, kao što su mali krvni sudovi sa stenozom, bifurkacijom, kao i
kroz mikrofluidne čipove za separaciju kancer ćelija, ali i kroz realne domene
dobijene eksper...imentalnim snimanjem protoka krvi kroz posebnu vrstu ribe, tzv.
zebra ribu.
S obzirom da jedan ovakav softver za naučne simulacije zahteva mnogo računarskih
resursa i da izvršavanje jedne simulacije traje dosta dugo, prilikom
implementacije numeričke metode posebna pažnja posvećena je tehnikama
paralelizacije. Kompjuterski program je razvijan tako da pored rada na standardnim
PC računarima, može da se izvršava i na kompjuterskim klasterima sa velikim
brojem procesora, kao što su Tesla superkompjuteri, koje proizvodi svetska
kompanija NVIDIA. Postignuta su značajna ubrzanja razvijenog softvera, tako da se
numeričke simulacije mogu izvršavati za samo nekoliko minuta, naspram par sati
koliko je potrebno za izvršavanje iste simulacije na standardnom PC računaru, što
omogućava praktično interaktivno praćenje kretanja deformabilnih tela u realnom
vremenu.
Zbog numeričke metode koja dosta realno oslikava uslove u ljudskom organizmu,
velike tačnosti koja je pokazana kroz poređenje sa eksperimentalnim rezultatima i
brojnim drugim rešenjima iz literature, kao i zbog brzog izvršavanja na
kompjuterskim klasterima, koje je omogućeno paralelizacijom, numerička metoda
predstavljena u ovom radu i razvijeni softver imaju veliki potencijal kada je reč o
praktičnoj primeni u simulacijama realnih problema u biomedicinskom
inženjeringu.
Cardiovascular system is one of the most important systems in human organism.
Investigation of blood flow is clinically very relevant due to the possibility of improved
diagnostic of diseases, planning of appropriate preventive measures, analisys of drug
transport etc. Experimental investigation of these phenomena is difficult and therefore
numerical simulation can contribute to the acquisition of manu new and useful information.
Within this dissertation a complete numerical model is presented, that is capable of
simulating three-dimensional blood flow through the blood vessels in human organism. This
is demonstrated on several examples, where blood flow through human aorta, carotid and
coronary arteries is modelled. Also, numerical model that simulates solid-fluid interaction is
presented and this model is used to simulate motion of red blood cells and spherical particles
through complex geometric domains, such as small blood vessels with stenosis and
bifurcation, as well a...s microfluidic chips for cancer cell separation and real domains
obtained by experimental recording of blood flow through a specific type of fish, so called
zebrafish.
This type of software for numerical simulation requires a lot of computer resources and the
execution of one simulation lasts quite long. Therefore, during the implementation of the
numerical method, special attention was dedicated to parallelisation techniques. The
software was developed such that beside execution on standarad PC computer, it is possible
to execute the program on computer clusters with large number of processors, such as Tesla
supercomputers, that are manufactured by the world known company NVIDIA. Significant
speed-ups were obtained and numerical simulation can now be executed in several minutes,
instead of several hours, which was the case when the same simulation was executed on
standard PC computer. This enables interactive tracking of motion of deformable bodies in
real time.
Due to the numerical method that describes the conditions in human organism quite
realistically, big accuracy of the solutions that was demonstrated through the comparison
with experimental results and other results presented in literature and fast program execution
on computer clusters that is enabled with parallelisation, the numerical model that is
presented in this dissertation and the developed software have a great potential when it
comes to practical application in modeling real phenomena in biomedical engineering.